Виды и свойства цементов

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Введение

Цемент -- это важнейший строительный материал. В строительной практике он применяется уже около 160 лет. Крупные научные открытия, послужившие основой создания новых видов цемента и улучшения качества существующих, относятся к последним четырем десятилетиям, причем большинство из них принадлежит советским ученым.

Главные виды цемента, выпускающиеся в настоящее время, -- это портландцемент, шлакопортландцемент, пуццолановый цемент. Основой всех этих видов цемента является клинкер, получаемый путем обжига в печах сырьевой массы. Обжиг может осуществляться во вращающихся или в шахтных печах.

Процесс производства цемента заключается в добыче цементного сырья, дроблении и тонком его измельчении, приготовлении однородной сырьевой смеси заданного состава, обжиге ее до спекания, размоле полученного клинкера вместе с небольшим количеством гипса и добавками в тонкий порошок -- цемент. Сырьевую смесь получают путем совместного или раздельного измельчения двух и более компонентов и последующего тщательного их смешения, гомогенизации, усреднения и корректирования до заданного состава в сухом состоянии или в присутствии воды. В зависимости от того, как приготовляется сырьевая смесь, различают два основных способа производства портландцемента -- мокрый и сухой.

При сухом способе производства дробленые сырьевые материалы высушиваются и тонко измельчаются. Полученная сырьевая мука после корректирования и усреднения до заданного химического состава обжигается во вращающихся или шахтных печах.

При мокром способе производства твердые сырьевые материалы -- известняк, мергель, глинистые сланцы -- после их дробления тонко измельчаются в присутствии воды в мельницах и образуют сметанообразную массу -- шлам. Мягкие сырьевые материалы -- мел, глина и др. -- после предварительного дробления подаются в болтушку, где при перемешивании с водой образуют однородный шлам. Меловой и глиняный шламы при необходимости тонко измельчаются в мельницах, поступают в бассейны, где корректируются и усредняются до заданного химического состава, и затем готовый шлам направляется для обжига в печь. На отечественных цементных заводах наибольшее распространение получил мокрый способ производства цемента.

1. Основные свойства цемента

1.1 Твердение

При затворении цементного порошка водой он образует пластичное тесто, которое постепенно уплотняется, теряя пластичность. Этот процесс первоначального уплотнения цементного теста называется схватыванием. В дальнейшем схватившееся цементное тесто постепенно увеличивает свою прочность -- твердеет, образуя «камневидное тело».

Портландцемент представляет собой тонкий порошок серо-зеленого цвета. Его объемный вес в рыхлом состоянии -- 1220 кг/м3.

1.2 Тепловыделение

В процессе твердения портландцемент выделяет тепло. Экзотермии цемента в большой степени зависит от его минералогического состава.

Морозостойкость и коррозиеустойчивость портландцемента в основном зависят от плотности бетона или раствора и минералогического состава цемента.

Морозостойкость и коррозиеустойчивость бетона уменьшается с увеличением его пористости и повышением тонкости помола цемента.

Морозостойкость растворов и бетонов, приготовленных на цементах с добавками, как правило, ниже, чем у бетонов и растворов, приготовленных на цементах без добавок.

1.3 Области применения

Портландцемент применяется в зависимости от марки в следующих областях строительства.

Цемент марки 400:

для железобетонных монолитных конструкций; для изготовления сборного железобетона.

Цемент марки 400 и 500:

для изготовления сборных железобетонных конструкций;

для гидротехнических сооружений (при службе в пресной воде), для наружных частей монолитного бетона массивных сооружении, для производства длит оболочек, находящихся в зоне переменного уровня воды;

при производстве бетонных работ с быстрой распалубкой;

для производства асбестоцементных изделий;

для дорожного строительства.

Цемент марки 600: для изготовления сборных железобетонных конструкций из бетонов высоких марок.

Цемент марка 700: для изготовления высокопрочных бетонов и предварительно напряженных сборных железобетонных конструкций.

2. Портландцементы

Быстротвердеющий портландцемент (БТЦ) получают путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера и гипса; при помоле быстротвердеющего портландцемента допускается введение активных минеральных добавок, предусмотренных ГОСТ 6269-54 (не больше 10% от веса цемента).

Быстротвердеющий портландцемент отличается интенсивным твердением в начальный период (до 3 суток).

Нарастание прочности его в отдаленные сроки твердения (до 28 суток) замедляется, а через более длительный период прочностные показатели быстротвердеющего портландцемента могут быть теми же, что и у обычного высококачественного портландцемента.

Пластифицированный портландцемент является разновидностью портландцемента. Изготовляют его путем совместного помола портландцементного клинкера, гипса и пластифицирующей поверхности активной добавки, придающей растворам и бетонам на этом цементе повышенную подвижность, удобоукладываемость и морозостойкость. Согласно ГОСТ 970-61 пластифицированный портландцемент в зависимости от прочности делится на пять марок: 300. 400, 500, 600 и 700. Требования к прочности пластифицированного портландцемента такие же, как и для портландцемента соответствующих марок.

Гидрофобный портландцемент отличается от обыкновенного портландцемента содержанием специальной гидрофобной добавки. Изготовляют его совместным помолом портландцементного клинкера, гипса и гидрофобной добавки. Портландцемент становится гидрофобным, одновременно сохраняя все остальные присущие цементам свойства, если в его состав введено оптимальное количество гидрофобной добавки.

Следует иметь в виду, что при недостаточном количестве вводимой гидрофобной добавки цемент (качество которого практически не ухудшается) не будет обладать гидрофобностью. При введении же излишнего количества гидрофобной добавки растворы будут характеризоваться повышенной пористостью, так как в них вовлекается увеличенное количество воздуха. Как следствие этого -- прочность их уменьшится.

Гидрофобный портландцемент применяют в первую очередь в тех случаях, когда приходится длительное время хранить цемент до его использования или перевозить его на дальние расстояния.

Весьма целесообразно применение его для облицовки и штукатурки зданий, так как он предотвращает образование выцветов на поверхности штукатурки. Гидрофобный портландцемент можно рационально использовать при изготовлении бетонов для дорожного, аэродромного строительства и строительства гидротехнических сооружении.

Сульфатостойкий портландцемент является разновидностью обычного портландцемента и отличается от последнего в основном тем, что обнаруживает повышенную стойкость к сульфатной агрессии в условиях систематического попеременного замораживания и оттаивания или увлажнения и высыхания. Получают этот цемент путем совместного помола клинкера нормированного состава и гипса. По прочностным показателям этот цемент подразделяют на три марки: 400, 500 и 600. Сульфатостойкий портландцемент отличается от обычного портландцемента пониженным тепловыделением. Наиболее целесообразно применять этот цемент для бетонных и железобетонных конструкций, в том числе и предварительно напряженных, гидротехнических сооружении, подвергающихся сульфатной агрессии на переменном уровне горизонта воды, а также для изготовления свай, сооружения опор мостов, молов, предназначенных для службы в минерализованных водах.

Портландцемент с умеренной экзотермией является разновидностью портландцемента и изготавливается из клинкера нормированного химического и минералогического состава, обеспечивающего пониженную теплоту гидратации при несколько повышенной сульфатостойкости. Марки портландцемента с умеренной экзотерымией -- 400, 500. В отношении сроков схватывания, содержания серного ангидрида, окиси магния. равномерности изменения объема, тонкости помола портландцемент с умеренной экзотермией должен удовлетворить требованиям, предъявляемым к портландцементу.

Портландцемент с умеренной экзотермией предназначается для бетонных и железобетонных конструкций, наружных зон гидротехнических массивных сооружений работающих в условиях систематического многократного замораживания и оттаивания, в пресной или слабо минерализованной воде.

Тампонажный цемент является одной на разновидностей портландцемента и предназначен для изоляции нефтяных и газовых скважин от действия грунтовых вод.

В соответствии с ГОСТ 1581-42 тампонажный цемент выпускается двух видов: а) для «холодных» скважин; б) для «горячих» скважин.

По химическому составу тампонажные цементы практически не отличаются от портландцемента, вследствие чего минералогический состав клинкера тампонажного цемента на разных цементных заводах колеблется в довольно значительных пределах.

Белый и цветные портландцементы являются разновидностями обычного портландцемента и отличаются от него цветом. Белый портландцемент получают из маложелезистого клинкера с весьма малым содержанием окиси железа, а цветные портландцементы, в зависимости от их цвета, -- из белого, клинкера светлых оттенков путем его измельчения вместе с добавкой красящего пигмента. Цветной портландцемент получают также из специально окрашенного в процессе обжига клинкера.

Шлакопортландцемент -- вяжущее вещество, твердеющее в воде и на воздухе, получаемое путем совместного тонкого измельчения портландцементного клинкера, доменного гранулированного шлака и гипса или путем тщательного смешения тех же, но раздельно измельченных компонентов.

Шлакопортландиемент твердеет несколько медленнее, чем портландцемент, в особенности при пониженных положительных температурах. Это объясняется значительным содержанием шлака. Однако при тончайшем помоле, в особенности двухступенчатом, и содержании шлака около 30-35% скорость твердения шлакопортландцемента такая же.

Шлакопортландцемент отличается от портландцемента, приготовленного из такого же клинкера и имеющего ту же тонкость помола, несколько меньшей прочностью.

Согласно ГОСТ 970-61 в зависимости от прочности на сжатие выпускают шлакопортландцемент четырех марок: 300, 400, 500 и 600.

Шлакопортлаидцемент характеризуется пониженным или умеренным тепловыделением при твердении, а также меньшими объемными деформациями в растворе и бетоне -- усадкой (на воздухе) и набуханием в воде. Шлакопортландцемент предназначен в основном для бетонных и железобетонных наземных, а также подземных и подводных конструкций, подвергающихся воздействию пресных, а также минерализованных вод с учетом норм агрессивности воды -- среды.

Глиноземистый цемент -- быстротвердеющее в воде и на воздухе высокопрочное вяжущее вещество, получаемое путем обжига до спекания или плавления смеси материалов, богатых глиноземом и окисью кальция, и последующего тонкого помола продукта обжига. В отличие от портландцемента, клинкер которого состоит в основном из силикатов кальция, глиноземистый цемент содержит преимущественно низкоосновные алюминаты кальция. Применение в строительстве. Поскольку глиноземистый цемент в 3--4 раза дороже портландцемента, в строительстве он применяется только в тех случаях, когда его специфические особенности: высокая прочность в короткие сроки твердения, стойкость против 6-1621 агрессивного воздействия таких веществ, которые разрушают обычный портландцемент, большое тепловыделение за короткий отрезок времени, огнеупорность, а также хорошее сцепление с арматурой -- экономически оправдывают его применение вместо обычного портландцемента.

Глиноземистый цемент целесообразно применять:

для строительства бетонных и железобетонных конструкций, которые необходимо быстро ввести в эксплуатацию, при ликвидации аварий, ремонте после пожаров, быстром возведении фундаментов под действующие машины;

для возведения оборонительных и военно-транспортных сооружений;

для проведения бетонных и железобетонных работ в условиях низких температур,

для возведения сооружении, находящихся а минерализованных водах или подвергающихся действию сернистых газов;

для изготовления огнеупорных бетонов и растворов.

Расширяющиеся цементы. Отличительным свойством расширяющихся цементов является их способность к расширению в процессе схватывания и твердения, которое происходит в результате образования быстрорастущих кристаллов гидросульфоалюминатоа кальция на определенной стадии развития кристаллизационной структуры твердеющего цементного камня. В промышленном масштабе выпускают расширяющиеся цементы двух видов, водонепроницаемый расширяющийся цемент и гипсо-глиноземистый расширяющийся цемент, отличающиеся один от другого по составу и строительно-техническим свойствам.

Гипсо-глиноземистый расширяющийся цемент -- быстротвердеющий в воде и на воздухе вяжушее вещество, получаемое в результате совместного помола высокоглиноземистых доменных шлаков и природного двуводного гипса в соотношении 70: 30 по весу.

Гипсо-глиноземистый расширяющийся цемент предназначается для изготовления безусадочных и расширяющихся водонепроницаемых растворов, бетонов и гидроизоляционных штукатурок; для за-делки стыков сборных бетонных и железобетонных конструкций; для омоноличивания и усиления конструкций, подливки фундаментов и заделки фундаментных болтов; для зачеканки швов и раструбов водопроводных линий при рабочем давлении до 10 атм, создаваемом не ранее 24 ч с момента окончания зачеканки. Не допускается применение гипсо-глиноземистого цемента для производства конструкций, работающих при температуре выше +80°С.

3. Производство

Цемент получают тонким измельчением клинкера и гипса. Клинкер -- продукт равномерного обжига до спекания однородной сырьевой смеси, состоящей из известняка и глины определённого состава, обеспечивающего преобладание силикатов кальция.

При измельчении клинкера вводят добавки: гипс СaSO4•2H2O для регулирования сроков схватывания, до 15 % активных минеральных добавок (пиритные огарки, колошниковую пыль, бокситы, пески, опоки, трепелы) для улучшения некоторых свойств и снижения стоимости цемента.

Обжиг сырьевой смеси проводится при температуре 1470 °C в течение 2-4 часов в длинных вращающихся печах (3,6Ч127 м, 4Ч150 м и 4,5Ч170 м) с внутренними теплообменными устройствами, для упрощения синтеза необходимых минералов цементного клинкера. В обжигаемом материале происходят сложные физико-химические процессы. Вращающуюся печь условно можно поделить на зоны:

подогрева (200…650 °C -- выгорают органические примеси и начинаются процессы дегидратации и разложения глинистого компонента). Например, разложение каолинита происходит по следующей формуле: Al2O3•2SiO2•2H2O > Al2O3•2SiO2 + 2H2O; далее при температурах 600…1000 °C происходит распад алюмосиликатов на оксиды и метапродукты.

декарбонизации (900…1200 °C) происходит декарбонизация известнякового компонента: СаСО3 > СаО + СО2, одновременно продолжается распад глинистых минералов на оксиды. В результате взаимодействия основных (СаО, MgO) и кислотных оксидов (Al2O3, SiO2) в этой же зоне начинаются процессы твёрдофазового синтеза новых соединений (СаО• Al2O3 -- сокращённая запись СА, который при более высоких температурах реагирует с СаО и в конце жидкофазового синтеза образуется С3А), протекающих ступенчато;

экзотермических реакций (1200…1350 °C) завершается процесс твёрдофазового спекания материалов, здесь полностью завершается процесс образования таких минералов как С3А, С4АF (F -- Fe2O3) и C2S (S -- SiO2) -- 3 из 4 основных минералов клинкера;

спекания (1300>1470>1300 °C) частичное плавление материала, в расплав переходят клинкерные минералы кроме C2S, который, взаимодействуя с оставшимся в расплаве СаО, образует минерал АЛИТ (С3S);

охлаждения (1300…1000 °C) температура понижается медленно. Часть жидкой фазы кристаллизуется с выделением кристаллов клинкерных минералов, а часть застывает в виде стекла.

цемент добавка морозостойкость

4. Приготовление смеси

Ни одно строительство не может обойтись без использования цементного раствора. От него, как от основного связующего материала, напрямую зависит прочность и долговечность кладки, поэтому очень важно знать, как правильно его приготовить.

В этом, казалось бы, несложном процессе есть свои нюансы: правильно выбранная марка раствора, правильно подобранные пропорции составляющих материалов, их соответствующее качество, последовательность изготовления раствора, а также особенности его приготовления в холодное время года при минусовой температуре.

Для начала рассмотрим марки растворов и принцип их определения. Определить марку достаточно просто. Для этого нужно марку используемого цемента разделить на количество песка. Чтобы было понятнее, наведем несколько примеров:

для получения раствора марки 100 нужно взять одно ведро цемента марки 400 и четыре ведра песка. В результате получится раствор, соотношение цемента и песка в котором 1:4 (марка цемента 400 : количество песка 4 = марка раствора 100). В раствор также добавляется моющее средство порядка 50-100 г, которое делает раствор более эластичным;

чтобы получить раствор марки 100 из цемента марки 500, пропорции смешивания цемента с песком должны быть 1:5 - на одно ведро цемента пять ведер песка (марка цемента 500 : количество ведер песка 5 = марка раствора 100). Для большей эластичности раствора добавляется 50-100 г моющего средства;

для получения раствора марки 200 из цемента марки 400 нужно смешать цемент с песком в пропорции 1:2 - на одно ведро цемента два ведра песка (марка цемента 400 : количество песка 2 = марка раствора 200). Для большей эластичности раствора добавляется 50-100 г моющего средства.

По такому принципу, исходя из марки цемента, можно высчитать нужные пропорции смешивания для получения необходимой марки раствора.

5. Механизм твердения с добавками-замедлителями

Для обеспечения монолитности возводимых конструкций желательно бетонировать их непрерывно. Однако это возможно при незначительных объемах работ и для строительства сравнительно простых конструкций. Во всех остальных случаях трудно избежать перерывов в бетонировании конструкций, и поэтому на строительных площадках вынуждены прибегать к устройству, так называемых, «рабочих швов».

Рабочие швы -- ослабленное место, поэтому они должны устраиваться в сечениях, где стыки старого и нового бетона не могут отрицательно влиять на прочность конструкции.

Их устройство связано с определенными трудностями и дополнительной затратой рабочего времени, так как для надежного сцепления нового бетона со старым необходимо тщательно обрабатывать поверхность ранее уложенного бетона. Для этого следует кромку схватившегося бетона очищать от цементной пленки, обнажать крупный заполнитель, продувая сжатым воздухом и промывая струей воды либо протирая проволочными щетками. Всего этого комплекса работ можно избежать, если вести бетонирование непрерывно или с такими перерывами, в течение которых процесс схватывания ранее уложенной смеси еще не начинается.

Одним из возможных технологических решений в таких случаях может служить введение в бетонную смесь замедлителей схватывания и твердения бетона. Такой прием должен осуществляться с учетом графика бетонных работ и подачи бетонной смеси к месту бетонирования.

Другое важное направление использования добавок-замедлителей схватывания связано с необходимостью транспортирования бетонной смеси на значительные расстояния, а также сохранения технологических свойств смесей в случае возникновения в производстве бетонных работ технологических перерывов.

В производстве сборных бетонных и железобетонных изделий добавки-замедлители схватывания применяют при изготовлении наружных стеновых панелей для вскрытия поверхностного слоя и обнажения декоративного заполнителя после ускоренного твердения.

Механизм действия добавок-замедлителей схватывания и твердения бетона заключается в торможении процессов гидратации и гидролиза клинкерных минералов, т. е. обусловливает замедленное выделение свободной извести в раствор и замедляет процессы коагуляции и сближения зерен цемента и его гидратных новообразований. Вследствие этого интенсивность схватывания затворенных водой клинкерных цементов замедляется. Схватывание цементного теста может быть замедлено и в результате действия добавок, которые, не препятствуя гидратации и гидролизу клинкерных минералов, быстро связывают свободную известь, выделяющуюся из С3S. Замедление процессов схватывания вызывается также влиянием отдельных электролитов, которые, в зависимости от их содержания в цементном тесте, могут препятствовать коагуляции коллоидного раствора и гидратных новообразований. По требованиям надежности добавки, замедляющие схватывание, должны увеличивать

время потери подвижности смеси от исходного значения до 2 см в 2 раза и более (при температуре окружающего воздуха (20±2) °С).

Для добавок, замедляющих твердение бетона и раствора, критерием служит снижение прочности бетона на 30 % и более в возрасте до 7 суток. При этом в проектном возрасте через 28 суток прочность бетона увеличивается, а проницаемость - снижается. Строительная практика располагает определенным опытом по применению следующих видов добавок-замедлителей схватывания и твердения бетонных и растворных смесей. Нитрилотриметиленфосфоновая кислота НТФ. Белый кристаллический порошок, легко растворимый в воде и нерастворимый в органических растворителях. При передозировке возможно снижение прочности бетона и раствора. Добавка эффективна для всех видов

цемента, в том числе и для высоко алюминатных. Обладает ластифицирующим действием, не вызывает коррозии арматуры в железобетоне. Рекомендуемая дозировка -- 0,02...0,15 % массы цемента. РСБ-500 (ИСБ-500). Добавка-замедлитель для монолитного строительства.

Маточные растворы производства нитрилотриметиленфосфоновой кислоты. Не содержит веществ, вызывающих коррозию арматуры. Рекомендуемая дозировка -- 0,02...0,15 % массы цемента.

Кормовая сахарная патока (меласса) КП. Продукт, являющийся отходом сахарной промышленности, в виде густой вязкой жидкости темно-коричневого цвета, хорошо растворимой в воде. Наблюдается замедленный набор прочности бетона и раствора в возрасте до 7 суток. Обладает пластифицирующим действием; не рекомендуется применять для сборного железобетона. Дозировка - 0,05...0,3 %.

Молочная сыворотка. Отход производства молочной промышленности, представляющий собой желтоватую жидкость, в состав которой входят молочный сахар, жир, белок.

Особенно сильное замедляющее действие - при введении сыворотки непосредственно в строительный раствор или бетонную смесь. Обладает пластифицирующим действием.

Оптимальное количество добавки -- 1,5...3 % массы цемента (в пересчете на сухое вещество - 0,1...0,2 %).

Размещено на Allbest.ru